SLS

1选择域激光粉末烧结成型（SLS）技术目录1引言………………………………………………………………22金属粉末激光快速成型技术研究现状…………………………22.1.1金属粉末SLS技术直接法…………….………………….22.1.2选择性激光烧结(SLS)……………………….……………42.1.3激光涂覆(熔覆)制造技术……………………………….43发展前景及存在的问题…………………………………………54结语……………………………………………………………….621、引言SLS(SelectiveLaserSintering)工艺，常采用的材料有金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成形材料。该工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。造型精度高，原型强度高，所以可用样件进行功能试验或装配模拟。整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞(送粉活塞)上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉.控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。与其它快速成型(RP)方法相比，SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。目前，可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统，所以SLS的应用越来越广泛。2、金属粉末激光快速成型技术研究现状金属粉末烧结成型技术是国际上当前的热点研究领域,可以自动迅速地从三维CAD模型直接制得形状复杂的金属零件或模型,其制造方法主要包括金属粉末SLS技术、选择性激光烧结(SLS)和激光熔覆制造三种技术。2．1．1金属粉末SLS技术直接法直接法使用的材料是单一的纯金属粉末或由高熔点金属粉末和低熔点金属粉末混合而成。目前，直接SLS用的成形材料主要有:Ni-Sn、Fe-Sn、Cu-Sn、Fe-Cu、Ni-Cu等。3(1)直接法的研究成果及存在的问题：美国DTM公司用SLS2000系统成功制作出了钢-铜合金的注塑模具。德国汉诺威激光中心采用Nd:YAG脉冲激光器和光学扫描系统试验了不同粒度的镍、铜、铝、青铜等合金材料。美国Texas大学Austin分校对多组元金属粉末，如Cu-Sn、Ni-Sn的SLS成形进行研究，并成功地制造出金属零件。还对单一金属粉末激光烧结成形进行了研究，成功地制造了用于F1战斗机和AIM9导弹的INCONEL625超合金和Ti6Al4合金的金属零件。德国EOS公司研制的SLS材料DirectSteel120－VI[12]，以钢为主，包含多种金属成分，平均粒径为20μm，成型件不需要渗铜或青铜，由于粉粒直径小，烧结层厚可为20μm，不需要进行表面处理，在N2保护中进行，最终金属件拉伸强度可达到491Mpa，屈服强度可达到414Mpa。该公司新开发的DirectTool粉末粒度更细，烧结后致密度可达95%，制得的金属件机械性能更好。SLS直接法由于可使金属零件形坯接近理论密度而成为当今世界的研究热点，但某些问题（如热应力）尚未彻底解决，而且粉末材料的选取具有局限性，因而仍无法扩展推广。虽然已有研究机构制造出了零件，但零件体积一般较小，且成形速度慢，精度较低，目前只有少数种类金属材料成形制造可达到商品化水平。(2)金属粉末选择性激光烧结技术的发展前景近十几年来，SLS技术飞速发展，取得了良好的应用效果，但作为一项新兴制造技术，尚处于不断发展、不断完善的阶段。SLS技术还有下述未来的的发展空间:○1、新材料成形机理、成形性的研究与开发，为SLS提供具有良好综合性能的烧结粉末材料及形成快速原型制造材料商品化。○2、成形工艺和设备的开发与改进，以提高成形件的表面质量、尺寸精度和力学性能。○3、后处理工艺的优化，以满足成形件经后处理后仍能满足尺寸精度的要求。42．1．2选择性激光烧结(SLS)(1)SLS原理选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末,并使烧结成形的固化层,层层叠加生成所需形状的零件。首先由CAD产生零件模型,并用分层切片软件对其进行处理,获得各截面形状的信息参数,作为激光束进行二维扫描的轨迹,由激光发出的光束在计算机的控制下,根据几何形体各层截面的坐标数据有选择地对材料粉末层进行扫描,在激光辐照的位置上粉末烧结在一起,一层烧结完成后,再铺粉进行下一层扫描烧结,新的一层和前一层自然地烧结在一起,最终生成三维形状的零件。(2)SLS的特点与其它传统制造方法相比,选择性激光烧结技术的突出优点是:(1)具有高度的柔性,在计算机的控制下可方便迅速地制作出传统加工方法难以实现的复杂形状的零件,例如具有复杂凹凸部分及中空的零件。(2)技术高度集成,综合集成了计算机技术、数控技术、激光技术和材料技术。(3)生产周期短,该技术从CAD设计到零件的加工完成只需几小时到几十小时,特别适合于开发新产品。(3)研究现状选择性激光烧结技术得到了广泛的应用,特别是用于直接生产金属零件和金属模具。美国DTM公司用SLS2000系统成功制作出了钢—铜合金的注塑模具。德国汉诺威激光中心采用Nd:YAG脉冲激光器和光学扫描系统,试验了不同粒度的镍、铜、铝、青铜等合金材料。国内,中北大学铸造中心和南京航空航天大学特种加工研究室开展了选择性激光烧结技术的基础研究,目前南京航空航天大学特种加工研究室已完成了单层烧结试验,在粉末配比及激光烧结参数的选择方面均获得了比较好的结果。2．1．3激光涂覆(熔覆)制造技术(1)激光涂覆制造技术的原理激光涂覆制造技术也称近形技术(LENS),是在激光熔覆技术和5快速原型技术的基础上发展起来的一种新技术。首先由CAD产生零件模型,用分层切片软件进行处理,获得各截面形状的信息参数,作为工作台进行移动的轨迹参数。工作台在计算机的控制下根据几何形体各层截面的坐标数据进行移动的同时,用激光涂覆的方法将材料进行逐层堆积,最终形成具有一定外形的三维实体零件。(2)激光涂覆制造技术的特点使用聚焦激光辐照时形成的熔池很小,可制出外形精密的零件。因烧结点的大小和激光束的有效直径差不多,故零部件的壁厚可精确调节,减少了后处理工序。激光近形方法提高了设计的灵活性,通过改变CAD模型文件可方便经济地修改补充零件,灵活改变零件不同部位的成分,使零件具有优异的综合性能,生产周期大大缩短,效率很高。只要被加工材料对所用激光器的激光波长有低的反射率,就可用LENS法来处理。激光涂覆制造技术易实现选区熔覆,可以用来修复大的金属零件,且无需制作昂贵的工模具,生产成本低。(3)激光涂覆制造技术的研究和应用现状德国的汉诺威激光中心已对钴基(stellite6)和镍基合(Inconel625)进行了研究,采用了最高功率为3kW的CO2激光器和一套计算机数控的三维加工系统。使用这套设备生产出具有垂直和倾斜薄壁的金属部件。不论使用什么材料,对涂覆部分的结构检查均可发现其组织细小,其中有部分树枝晶结构。对材料的测试表明,涂覆零部件的密度近100%,抗拉强度和断裂强度与常规的金属板材类似。美国Sandia国家试验室已能用激光近形制造法生产多种材料的高密度金属零件,包括镍合金In-conel718、625、690等,不锈钢304和316,H13工具钢、钨、钛和磁性NdFeB等。通过变换激光模式、激光功率、沉积速率、坐标轴数和金属运送方式可得到优化的制造速率、零件密度、晶粒结构和表面质量。3、发展前景及存在的问题金属粉末的激光快速成型技术集计算机辅助设计、激光熔覆、快速成型于一体,在无需任何硬质工模具或模型的情况下,能快速制备出不同材料的复杂形状、多品种、小批量的零件,所成型零件致密度高,6具有快速凝固组织特征,能满足直接使用要求,在航天器件、飞机发动机零件及武器零件的制备上具有广阔的应用前景。还可通过改变成型材料,得到不同部位由不同材料组成的零件,与计算机相结合,发展材料的智能制备系统。从上世纪90年代初开始,探索实现金属零件直接快速成型制造的方法已成为RP技术的研究热点,随着大功率激光器的出现,使得采用快速成型方法直接制造金属零件成为可能,国外著名的RP技术公司均在进行金属零件快速成型技术研究。探索直接制备满足工程使用条件的金属零件快速成型技术,将有助于快速成型技术向快速制造技术的转变,能极大地拓展其应用领域。此外,利用逐层制造的优点,探索制造具有功能梯度、综合性能优良、特殊复杂结构的零件也是一个新的发展方向。而快速成型技术与传统制造技术相结合,形成产品快速开发—制造系统也是一个重要趋势。目前,快速成型技术的成型精度为0.01mm数量级,表面质量还较差,有待进一步提高。最主要的是成型零件的强度和韧性还不能完全满足工程实际需要,完善现有快速成型工艺与设备,提高零件的成型精度、强度和韧性,降低设备运行成本的需求是十分迫切的。4、结语快速成型作为一种高新制造技术,必将在十几年来飞速发展的基础上扬长避短,不断开发出新的成型工艺、成形材料及智能化相关技术,现有工艺也必将朝着精密化、高精度、低成本、标准化方向发展,并应以能直接生产半功能性、功能性零件为目标。